硬盤存儲(chǔ)原理的解讀

硬盤存儲(chǔ)原理的具體解讀-圖文硬盤原理的具體解讀〔一〕一、硬盤原理之硬盤的組成硬盤大家肯定不會(huì)生疏，我們可以把它比方成是我們電腦儲(chǔ)存數(shù)據(jù)和信息的大倉(cāng)庫(kù)。一般說來，無論哪種硬盤，都是由盤片、磁頭、盤片主軸、掌握電機(jī)、磁頭掌握器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口、緩存等幾個(gè)部份組成。1全部的盤片都固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上，這個(gè)軸即盤片主軸。而全部盤片之間是確定平行的，在每個(gè)盤片的存儲(chǔ)面上都有一個(gè)磁頭，磁頭與盤片之間的距離比頭發(fā)絲的直徑還小。全部的磁頭連在一個(gè)磁頭掌握器上，由磁頭掌握器負(fù)責(zé)各個(gè)磁頭的運(yùn)動(dòng)。磁頭可沿盤片的半徑方向動(dòng)作，而盤片以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)到上萬轉(zhuǎn)的速度在高速旋轉(zhuǎn)，這樣磁頭就能對(duì)盤片上的指定位置進(jìn)展數(shù)據(jù)的讀寫操作。2由于硬盤是高周密設(shè)備，塵埃是其大敵，所以必需完全密封。二、硬盤原理之硬盤的工作原理硬盤在規(guī)律上被劃分為磁道、柱面以及扇區(qū)。3硬盤的每個(gè)盤片的每個(gè)面都有一個(gè)讀寫磁頭，磁盤盤面區(qū)域的劃分如下圖。4磁頭靠近主軸接觸的外表，即線速度最小的地方，是一個(gè)特別的區(qū)域，它不存放任何數(shù)據(jù)，稱為啟停區(qū)或著陸區(qū)〔LandingZone〕，啟停區(qū)外就是數(shù)據(jù)區(qū)。在最外圈，離主軸最遠(yuǎn)的地方是“0”磁道，硬盤數(shù)據(jù)的存放就是從最外圈開頭的。那么，磁頭是如何找到“0”磁道的位置的呢？在硬盤中還有一個(gè)叫“0”磁道檢測(cè)器的構(gòu)件，它是用來完成硬盤的初始定位?！?”磁道是如此的重要，以致很多硬盤僅僅由于“0”磁道損壞就報(bào)廢，這是格外惋惜的。早期的硬盤在每次關(guān)機(jī)之前需要運(yùn)行一個(gè)被稱為Parking作用是讓磁頭回到啟停區(qū)?，F(xiàn)代硬盤在設(shè)計(jì)上已摒棄了這個(gè)雖不簡(jiǎn)單卻很讓人不開心的小缺陷。硬盤不工作時(shí)，磁頭停留在啟停區(qū)，當(dāng)需要從硬盤讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，磁盤開頭旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度到達(dá)額定的高速時(shí)，磁頭就會(huì)因盤片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流而抬起，這時(shí)磁頭才向盤片存放數(shù)據(jù)的區(qū)域移動(dòng)。盤片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流相當(dāng)強(qiáng)，足以使磁頭托起，并與盤面保持一個(gè)微小的距離。這個(gè)距離越小，磁頭讀寫數(shù)據(jù)的靈敏度就越高，固然對(duì)硬盤各部件的要求也越高。早期設(shè)計(jì)的磁盤驅(qū)動(dòng)器使磁頭保持在盤面上方幾微米處飛行。稍后一些設(shè)計(jì)使磁頭在盤面上的飛行高度降到約0.1μm～0.5μm，0.005μm～0.01μm，這只是人類頭發(fā)直徑的千分之一。氣流既能使磁頭脫離開盤面，又能使它保持在離盤面足夠近的地方，格外嚴(yán)密地跟隨著磁盤外表呈起伏運(yùn)動(dòng)，使磁頭飛行處于嚴(yán)格受控狀態(tài)。磁頭必需飛行在盤面上方，而不是接觸盤面，這種位置可避開擦傷磁性涂層，而更重要的是不讓磁性涂層損傷磁頭。但是，磁頭也不能離盤面太遠(yuǎn)，否則，就不能使盤面到達(dá)足夠強(qiáng)的磁化，難以讀出盤上的磁化翻轉(zhuǎn)〔磁極轉(zhuǎn)換形式，是磁盤上實(shí)際記錄數(shù)據(jù)的方式〕。5硬盤驅(qū)動(dòng)器磁頭的飛行懸浮高度低、速度快，一旦有小的塵埃進(jìn)入硬盤密封腔內(nèi)，或者一旦磁頭與盤體發(fā)生碰撞，就可能造成數(shù)據(jù)喪失，形成壞塊，甚至造成磁頭和盤體的損壞。所以，硬盤系統(tǒng)的密封肯定要牢靠，在非專業(yè)條件下確定不能開啟硬盤密封腔，否則，灰塵進(jìn)入后會(huì)加速硬盤的損壞。另外，硬盤驅(qū)動(dòng)器磁頭的尋道伺服電機(jī)多承受音圈式旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，在伺服跟蹤的調(diào)整下準(zhǔn)確地跟蹤盤片的磁道，所以，硬盤工作時(shí)不要有沖擊碰撞，搬動(dòng)時(shí)要留神輕放。這種硬盤就是承受溫徹斯特〔Wincheter〕技術(shù)制造的硬盤，所以也被稱為溫盤，目前絕大多數(shù)硬盤都承受此技術(shù)。三、硬盤原理之盤面、磁道、柱面和扇區(qū)硬盤的讀寫是和扇區(qū)有著嚴(yán)密關(guān)系的。在說扇區(qū)和讀寫原理之前先說一下和扇區(qū)相關(guān)的”盤面”、“磁道”、和“柱面”。盤面磁道磁道數(shù)更多。信息以脈沖串的形式記錄在這些軌跡中，這些同心圓不是連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，而是被劃分成一段段的圓弧，這些圓弧的角速度一樣。由于徑向長(zhǎng)度不一樣。柱面電子切換相當(dāng)快，比在機(jī)械上磁頭向鄰近磁道移動(dòng)快得多，所以，數(shù)據(jù)的讀/寫按柱面進(jìn)展，而不按盤面進(jìn)展。也就是說，一個(gè)磁道寫滿數(shù)據(jù)后，就在同一柱面的下一個(gè)盤面來寫，一個(gè)柱面寫滿后，才移到下一個(gè)扇區(qū)開頭寫數(shù)據(jù)。讀數(shù)據(jù)也依據(jù)這種方式進(jìn)展，這樣就提高了硬盤的讀/寫效率。一塊硬盤驅(qū)動(dòng)器的圓柱數(shù)〔或每個(gè)盤面的磁道數(shù)〕既取決于每條磁道的寬窄〔同樣，也與磁頭的大小有關(guān)〕，也取決于定位機(jī)構(gòu)所打算的磁道間步距的大小。扇區(qū)操作系統(tǒng)以扇區(qū)〔Sector〕形式將信息存儲(chǔ)在硬盤上，每個(gè)扇區(qū)包括512地點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段。6扇區(qū)的第一個(gè)主要局部是標(biāo)識(shí)符。標(biāo)識(shí)符，就是扇區(qū)頭標(biāo)，包括組成扇區(qū)三維地址的三個(gè)數(shù)字：扇區(qū)所在的磁頭〔或盤面〕、磁道〔或柱面號(hào)〕以及扇區(qū)在磁道上的位置即扇區(qū)號(hào)。頭標(biāo)中還包括一個(gè)字段，其中有顯示扇區(qū)是否能牢靠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，或者是否已覺察某個(gè)故障因而不宜使用的標(biāo)記。有些硬盤掌握器在扇區(qū)頭標(biāo)中還記錄有指示字，可在原扇區(qū)出錯(cuò)時(shí)指引磁盤轉(zhuǎn)到替換扇區(qū)或磁道。最終，扇區(qū)頭標(biāo)以循環(huán)冗余校驗(yàn)〔CRC〕值作為完畢，以供掌握器檢驗(yàn)扇區(qū)頭標(biāo)的讀出狀況，確保準(zhǔn)確無誤。扇區(qū)的其次個(gè)主要局部是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，可分為數(shù)據(jù)和保護(hù)數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)碼〔ECC〕512〔實(shí)際數(shù)據(jù)的存放地〕和與這些虛擬信息字節(jié)相應(yīng)的ECC四、硬盤原理之硬盤的讀寫原理系統(tǒng)將文件存儲(chǔ)到磁盤上時(shí)，按柱面、磁頭、扇區(qū)的方式進(jìn)展，即最1〔1〕的全部扇區(qū)，然后，是同一柱面的下一磁頭，……，一個(gè)柱面存儲(chǔ)滿后就推動(dòng)到下一個(gè)柱面，直到把文件內(nèi)容全部寫入磁盤。系統(tǒng)也以一樣的挨次讀出數(shù)據(jù)。讀出數(shù)據(jù)時(shí)通過告知磁盤掌握器要讀出扇區(qū)所在的柱面號(hào)、磁頭號(hào)和扇區(qū)號(hào)〔物理地址的三個(gè)組成局部〕進(jìn)展。磁盤掌握器則直接使磁頭部件步進(jìn)到相應(yīng)的柱面，選通相應(yīng)的磁頭，等待要求的扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下。扇區(qū)到來時(shí)，磁盤掌握器讀出每個(gè)扇區(qū)的頭標(biāo)，把這些頭標(biāo)中的地址信息與期盼檢出的磁頭和柱面號(hào)做比較〔即尋道〕，然后，查找要求的扇區(qū)號(hào)。待磁盤掌握器找到該扇區(qū)頭標(biāo)時(shí)，依據(jù)其任務(wù)是寫扇區(qū)還是讀扇區(qū)，來打算是轉(zhuǎn)換寫電路，還是讀出數(shù)據(jù)和尾部記錄。找到扇區(qū)后，磁盤掌握器必需在連續(xù)查找下一個(gè)扇區(qū)之前對(duì)該扇區(qū)的信息進(jìn)展后處理。假設(shè)是讀數(shù)據(jù)，掌握器計(jì)算此數(shù)據(jù)的ECCECCECCECC碼，與數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)。在掌握器對(duì)此扇區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)展必要處理期間，磁盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)。五、硬盤原理之磁盤碎片的產(chǎn)生俗話說一圖勝千言，先用一張ACSII片。7ASCIIASCII0。在圖的最上側(cè)和左側(cè)各有a-z2611aa,2626zz。我們創(chuàng)立一個(gè)文件，理所固然的，我們的文件系統(tǒng)就產(chǎn)生了變化，現(xiàn)在是8ASCII如下圖：”內(nèi)容表”(TOC)占據(jù)了前四行,在TOC在系統(tǒng)里所在的位置。在上圖，TOChello.t某t是”Hello,world”，在系統(tǒng)里的位置是aele。接下來再建一個(gè)文件9ASCIIbye。tthello.tt。其實(shí)這是最抱負(fù)的系統(tǒng)構(gòu)造，假設(shè)你將你的文件都依據(jù)上圖所表示的那樣一個(gè)挨著一個(gè)，緊緊的貼放在一起的話，那么讀取他們將會(huì)格外的簡(jiǎn)潔和快速，這是由于在硬盤里動(dòng)得最慢的(相對(duì)來說)就是傳動(dòng)手臂，少位移一些，讀取文件數(shù)據(jù)的時(shí)間就會(huì)快一些。然而恰恰這就是問題的所在?，F(xiàn)在我想在”Hello,World”后加上些感慨號(hào)來表達(dá)我猛烈的感情，現(xiàn)在的問題是：在這樣的系統(tǒng)上，文件所在的行bye.tt〔二〕我們接著上文來剖析硬盤原理的構(gòu)成。現(xiàn)在有兩個(gè)方法可以選擇，但是沒有一個(gè)是完善的1.我們從原位置刪除文件，重建個(gè)文件重寫上”Hello,World!!”。–這就無意中延長(zhǎng)了文件系統(tǒng)的讀和寫的時(shí)間。2.打碎文件，就是在別的空的地方寫上感慨號(hào)，也就是”身首異處”–這個(gè)點(diǎn)子不錯(cuò)，速度很快，而且便利，但是，這就同時(shí)意味著大大的減慢了讀取下一個(gè)文件的時(shí)間。假設(shè)你對(duì)上面的文字沒概念,上圖10ASCII這里所說的方法二就像是我們的window都是緊挨著的，但假設(shè)其中某個(gè)文件要更改的話，那么就意味著接下來的數(shù)據(jù)將會(huì)被放在磁盤其他的空余的地方。假設(shè)這個(gè)文件被刪除了，那么就會(huì)在系